Elasto­ka­lo­ri­sche Mikro-Kühlung mit ultra­ho­her Lebens­dauer für photo­ni­sche Systeme

Moderne photo­ni­sche Systeme benöti­gen eine präzise Tempe­ra­tur­kon­trolle, um Stabi­li­tät und Leistungs­fä­hig­keit sicher­zu­stel­len. Dieses inter­dis­zi­pli­näre Projekt entwi­ckelt ein neuar­ti­ges elasto­ka­lo­ri­sches Mikro-Kühlsys­tem, das mehr als eine Million Betriebs­zy­klen errei­chen soll. Durch die Kombi­na­tion von Materi­al­for­schung an Formge­dächt­nis­le­gie­run­gen, innova­ti­vem Geräte­de­sign und Integra­tion in photo­ni­sche Systeme entsteht eine energie­ef­fi­zi­ente Festkör­per-Kühltech­no­lo­gie. Die Zusam­men­ar­beit von KIT, ETH Zürich und Fraun­ho­fer IWM adres­siert zentrale Heraus­for­de­run­gen hinsicht­lich Lebens­dauer und Zuver­läs­sig­keit zukünf­ti­ger Mikro-Kühllö­sun­gen für photo­ni­sche und neuro­mor­phe Technologien.

Mit der fortschrei­ten­den Minia­tu­ri­sie­rung elektro­ni­scher und photo­ni­scher Systeme gewinnt eine effizi­ente Tempe­ra­tur­kon­trolle zuneh­mend an Bedeu­tung. Photo­ni­sche Kompo­nen­ten wie optische Modula­to­ren, Multi­ple­xer oder integrierte Schalt­kreise reagie­ren beson­ders empfind­lich auf Tempe­ra­tur­schwan­kun­gen. Schon kleine lokale Tempe­ra­tur­än­de­run­gen können zu Signal­ver­lus­ten, Wellen­län­gen­drift und gerin­ge­rer Energie­ef­fi­zi­enz führen. Gleich­zei­tig sind konven­tio­nelle Kühlsys­teme auf Basis von Kompres­si­ons­käl­te­ma­schi­nen energie­in­ten­siv und nutzen häufig Kälte­mit­tel mit hohem Treibhauspotenzial.

Eine vielver­spre­chende Alter­na­tive stellt die elasto­ka­lo­ri­sche Kühlung dar. Diese Festkör­per-Kühltech­no­lo­gie nutzt spannungs­in­du­zierte Tempe­ra­tur­än­de­run­gen in super­elas­ti­schen Formge­dächt­nis­le­gie­run­gen (Shape Memory Alloys, SMA), um Kühlung zu erzeu­gen – ganz ohne umwelt­schäd­li­che Kälte­mit­tel. In den letzten Jahren konnten dabei bereits große Tempe­ra­tur­än­de­run­gen und hohe Materi­al­ef­fi­zi­en­zen demons­triert werden. Beson­ders dünne SMA-Filme sind für Minia­tu­r­an­wen­dun­gen inter­es­sant, da ihr großes Oberflä­chen-Volumen-Verhält­nis eine schnelle Wärme­über­tra­gung und kompakte Integra­tion ermöglicht.

Ein zentra­les Problem dieser Techno­lo­gie ist jedoch die begrenzte Ermüdungs­le­bens­dauer der Materia­lien. Viele bisher entwi­ckelte Systeme versa­gen bereits nach wenigen tausend Zyklen. Für den Einsatz in photo­ni­schen Syste­men, die langfris­tig stabil arbei­ten müssen, ist dies nicht ausrei­chend. Ziel des Projekts ist daher die Entwick­lung eines elasto­ka­lo­ri­schen Mikro-Kühlsys­tems mit einer Lebens­dauer von mehr als einer Million Betriebszyklen.

Um dieses Ziel zu errei­chen, kombi­niert das Projekt Materi­al­for­schung, Geräte­ent­wick­lung und photo­ni­sche System­in­te­gra­tion. Die Zusam­men­ar­beit von Prof. Peter Gumbsch (KIT und Fraun­ho­fer IWM), Prof. Juerg Leuthold (ETH Zürich) und Dr. Jingyuan Xu (KIT) vereint die Exper­tise aus Materi­al­wis­sen­schaft, Photo­nik und Mikro­sys­tem­tech­nik. Gemein­sam entwi­ckeln die Projekt­part­ner eine neue Genera­tion langle­bi­ger und energie­ef­fi­zi­en­ter Kühllö­sun­gen für zukünf­tige photo­ni­sche und mikro­elek­tro­ni­sche Systeme.